激光束和离子束与物质的相互作用分析

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1、山东大学博士学位论文中文摘要激光束、离子束与物质的相互作用研究是一个很有意义的研究课题，引起了人们极大的研究兴趣。但是这一课题所包含的内容是如此广泛，因而没有哪一篇论文能够对其所覆盖的全部内容进行详尽地研究。本论文也主要选取了其中的几个方面来进行探讨的。对于激光与物质的相互作用方面，我们主要用光谱法对激光烧蚀等离子体进行了参量诊断研究：离子束与物质的相互作用方面主要做了keV--MeV离子注入量子阱、超品格的界面混合和应变分析研究以及超低能(eV量级)氢离子注入碳纳米管的结构和相变研究。自1960年美国物理学家梅曼(T．H．Maiman)成功研制出第一

2、台红宝石激光器起，激光技术的发展表现出强大的生命力，几乎渗透到自然科学研究的各个领域。几乎与此同时，第一台离子注入机也由于半导体材料掺杂的需要而于上世纪60年代问世。离子束技术是一种表面和近表面的材料改性和分析技术，它以离子与固体相互作用为基础，涉及大规模集成电路、光电子集成、固态工艺、材料科学和工程技术的各个领域。激光束、离子束的共同特点就是它们都是一种定向高能束，被广泛应用于工业、农业、军事、医学研究等各个领域。激光束、离子束应用的一个重要基础是它们与物质的相互作用，因而研究激光束、离子束与物质的相互作用具有重要的理论意义和实际应用价值。当具有足够

3、高功率密度的激光辐照固体样品时，靶材料在很短的时间内熔化、蒸发甚至电离，形成高温膨胀的等离子体。烧蚀产物中包含有电子、离子、中性原子、分子和团簇。利用溅射物所携带的能量和质量，可在靶前的基片上形成薄膜，这就是人们所熟知的脉冲激光淀积技术(PLD)。PLD技术目前已经成为人们广泛采用的制膜技术中的一种，已经用来制各出高质量的氧化物、氮化物、半导体、高温超导等多元化合物。为了更好地控制薄膜的生长过程，以得到更好质量的薄膜，对于淀积过程中等离子体的动力学问题人们已经做了广泛的研究。然而，关于等离子体的一些基本参量，如电子温度、电子密度、各成分飞行速度等，研究

4、的却相对较少。事实上，等离子体的这些参量不仅在理论上有助于更好地理解激光与物质的相互作用过程，在实际中也有利于探索最佳制膜条件。作为离子束研究主要内容之一的离子注入技术是广泛应用的一种材料表面改山东大学博士学位论文性高新技术。离子注入III．v族化合物可用来形成异质结构的界面增强混合。与常规的热扩散相比，离子注入技术不受离子种类的限制，注入深度分布可以控制，工艺重复性高，而且可以实现一定深度下的组分混合。这种技术已经发展成极富前景的材料改性手段，尤其适用于新的集成光电器件的研制。但是离子注入会引起材料的辐照损伤并在注入层和材料衬底界面产生应力，而应力会

5、影响器件的各种性能，所以对应力的检测与评估是很重要的。拉曼光谱和双晶x射线衍射谱被证明是评估晶格应力的两个有效的手段。对于量子阱发光材料来说，离子注入引起的界面混合修正了量子阱的带隙，从而引起量子阱发光峰位的移动。通过测量带隙修正前后量子阱发光峰位的移动，可以估算出界面混合的程度。半导体材料改性所要求的注入离子一般是keV．MeV的宽能区的离子束。超低能离子注入的研究也具有重要的理论意义和实际意义。随着纳米技术的研究在全球范围内的不断升温，对于碳纳米管的研究已经成为最前沿的科研领域之一。近年来，利用离子束与碳纳米管的相互作用向碳纳米管装入其它元素的研究

6、，特别是超低能氢离子注入碳纳米管的碰撞反应动力学研究已经引起了人们的重视。理论研究已经证明，入射能量为16-25eV的超低能氢注入碳纳米管时，氢最容易被约束在封闭的单壁碳纳米管内。这个范围内的捕获几率大于20％。连续装入碳管中的氢离子通过相互碰撞形成H2分子。研究储存于碳纳米管中的氢分子在不同温度和线性密度下的结构和相变行为将是非常有意义的研究课题。本论文主要做了激光烧蚀等离子体的光谱诊断研究、离子注入量子阱和超晶格的界面混合和应变分析以及超低能氢注入碳纳米管的结构和相变几个方面的研究工作，取得了一些创新性的结果。总结起来讲，本论文所做的主要工作以及所

7、取得的主要结果包括以下几个方面：在激光等离子体的理论分析部分，介绍了等离子体的特性和产生机制，讨论了激光维持的燃烧波和暴轰波的理论模型。在Krokhin蒸发波模型气体动力学方程组的基础上，考虑了固体靶的熔解热以及沉积在液体层中的能薰，通过计算机编程求解了激光烧蚀Al、cu、si、Ge样品材料时蒸发波的温度、压强、出射速度以及密度等气体动力学参量。利用改进的Pirri模型，计算了短脉冲激光与靶材料相互作用过程中的冲量耦合系数，讨论了样品尺寸以及光斑大小对于冲量耦合系数的影响。KTP晶体是一种重要的非线性光学材料，具有大的非线性光学系数和高的抗损山东大学博

8、士学位论文伤阙值，被广泛应用于各种非线性光学器件。由于薄膜材料具有体材料所不具备的一系列的优良